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VRM Carte mère et GPU

dedede223

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Dans ce topic je vais parler d’une partie de la carte mère couramment appelée « VRM » pour « Voltage Regulator Module » indispensable dans le fonctionnement de la carte mère. Cette partie est l’étage d’alimentation du CPU, elle sert à transformer la tension 12V fournie par l’alimentation en une tension bien plus petite souvent comprise entre 0.7V et 1.5V. Bien que souvent méconnue du grand public cette partie de la carte mère joue un rôle crucial pour le bon fonctionnement de la carte mère et donc de l’ordinateur. Le terme VRM ne désigne pas uniquement l'alimentation du CPU mais aussi celle du GPU sur les carte graphique ou tout autres module de régulation de la tension présent dans divers appareil.
Ces dites VRM sont composés de plusieurs composants principaux , le contrôleur VRM, les MOSFETs, les drivers, les bobines (coil ou choke en anglais), et les condensateurs (Capacitor en anglais) et dans certain cas des doubleurs.

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En Bleu l'alimentation 12v et sa filtration, en Rouge les MOSFET (ISL99227B/ISL99140), en Orange les bobines, en Vert les condensateur et en violet les contrôleurs PWM (ISL99138/ISL99133), en rose les doubleurs utiliser sur cette carte mère (ISL6617A) (Photo prise par CornerJack)
  • Le Contrôleur PWM.
Dans un premier temps je vais parler du cerveau de toute cette partie de la carte mère, le contrôleur VRM. Ce composant est chargé de contrôler les MOSFET placé sur la carte mère par le biais d’un ou plusieurs signaux PWM (pour Pulse Width Modulation) ou MLI en français (pour Modulation de Largeur d’Impulsion). Signaux caractérisé par une fréquence ordonnant le nombre de fois que le signal PWM se répètera sur une seconde. Le PWM se présente sous la forme d’un signal ayant une période donné et pouvant avoir 2 états possible soit l’état «bas» c’est-à-dire l’état ou la tension sera à 0V ou l’état « haut » ou la tension sera à son maximum, maximum déterminer par le composant lui-même et donc par le fabricant. Ce qui détermine la tension appliquer en sortie des MOSFET est la durée de l’état haut dans une période du signal. Cette durée est appeler rapport cyclique souvent associé au signe « α » qui représente le rapport entre la durée de l'état haut sur la durée de la période. Le contrôleur PWM règle le signal PWM en fonction de plusieurs paramètre qu’il surveille en continue comme la tension en sortie des VRM, le courant débité et la température des MOSFET, si les MOSFET ne disposent pas de sonde de température alors il peut utiliser un capteur de température (thermocouple ou thermorésistante) au voisinage des MOSFET pour mesurer la température du PCB qui est proche de celle des MOSFET mais n'est toute fois pas égale à celle à l'intérieur des MOSFET.

Prenons comme exemple un signal PWM à une fréquence de 100hz et une tension entre 0V et 1.8V, ainsi la période du signal est de 10ms. Pour ce signal prenons un rapport cyclique de α=0.2 alors durant une période de ce signal la tension 1.8V sera présente pendant 2ms sur les 10ms totale de la période. Ainsi si on applique ce signal aux MOSFETs grossièrement en alimentant les MOSFETs avec une tension de l’ordre de 12v et un rapport cyclique de 0.2, alors la tension en sortie des MOSFET sera de l’ordre de 12*0.2 soit 2.4v.

  • Les MOSFET
Les MOSFET, pour « Métal Oxide Semiconductor Fiel Effect Transistor », sont des composants essentiels au fonctionnement du module de régulation de la tension des cartes mères. C’est ce composant qui permet de convertir le 12 volt fourni par le ou les connecteurs alimentation CPU (aussi appelé EPS) en une tension plus petit. C’est aussi ce composant sur qui va principalement agir le contrôleur vu précédemment. Ici je vais diviser les différent MOSFET en deux catégorie les PS/SPS et les MOSFET dit Lo-side et Hi-side qui vont de pair.

Le groupe des PS/SPS (pour Power Stage ou Smart Power Stage) regroupe beaucoup de modèles et de marques plus ou moins performant et « bon » comme ceux d’International Rectifier, d’Infineon, de Texas Instrument, de Renesas, de Vishay et bien d’autre. Ces composant sont donc souvent considérer comme meilleur que leur homologue les MOSFET Hi-side et Lo-side que l’on peut retrouver dans les catalogue de constructeur comme ONSemi ou Sino Power car contrairement aux Hi-side et aux Lo-side les Power Stage de ce type sont plus compact, ont plus souvent des protection contre la surchauffe, les surtension, la surcharge et autre protection pouvant être intéressante dans le cadre des VRM. Ces MOSFET sont aussi souvent équipé d’une sonde interne de température permettant de monitoré facilement la température de ces MOSFET sur Windows par exemple. Et peuvent parfois permettre de relevé le courant de manière plus ou moins précise et donc de pouvoir avoir la puissance consommée par le CPU sans devoir passer par un appareil de mesure externe.

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Voici quelques exemple de PS/SPS : dans l’ordre IR3555, CSD87350, TDA21472 et ISL99227F​

Les MOSFET Hi-Side et Lo-Side sont de simple MOSFET utiliser pour remplacer une ancienne technique sur de vieille carte mère ou de vieux appareil électronique utilisant un MOSFET Hi-side et une diode a la place du MOSFET Lo-side. Ces deux MOSFET permettent de fermé le circuit dans les 2 phases de l’alimentation quand le MOSFET Hi-side est actif le courant passe du 12v vers le CPU en passant par les bobines. Quand le Hi-side s’ouvre et que le Lo-side se ferme une nouvelle boucle est fermé entre le CPU et la masse de la carte mère. Cette boucle permet de vidé les bobine du courant emmagasiner quand le Hi-side était fermé et éviter des pic de tension lorsque le Hi-side se ferme au cycle suivant, quand le courant stocker dans les bobine traverse les MOSFET Lo-side les pertes thermique sont importante, plus que celle du Hi-side quand il est fermé, car le Lo-side est fermé plus longtemps que le Hi-side et donc il est traversé plus longtemps par du courant que le Hi-side.


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Voici quelques exemple de Lo-side et Hi-side : dans 4C029, 4C024, SM4337, SM4503​



Parce que le MOSFET Hi-side est celui qui fournit la puissance au reste de chaque phase il est aussi la première limite de puissance au sein de chaque phase. Toutefois caractériser la puissance de sortie de chaque phase est quelque chose de compliqué sachant qu’il n’y a pas de méthode standard permettant de les comparés mais certaine caractéristiques des MOSFET présente dans les documents technique permettent d’avoir une bonne idée de leurs capacité ces caractéristique sont les pertes par effet joule au sein des MOSFET et le courant maximal en fonction de la température. Les MOSFET sont des composants qui peuvent sortir un courant plus élevé à faible température c’est pourquoi on utilise des dissipateur plus ou moins travailler et plus ou moins efficace pour dissiper la chaleur produite par les MOSFET et réduire leur température et ainsi améliorer leur capacité en sortie. Par exemple prenons deux MOSFET un infineon IR3553 et un infineon TDA21240 avec les mêmes conditions c’est-à-dire en entrée 12v la tension en sortie pour 1.2v et une température environnante de 25°C l’IR3553 aura une fréquence de commutation de 400kHz tandis que le TDA21240 aura une fréquence de commutation de 417kHz. Ainsi pour chacun un courant d’intensité 40A les traversant le MOSFET IR3553 a selon sa documentation environ 9W de perte contre environ 5.6W pour le MOSFET TDA21240.

  • Les composants périphériques.
Les VRM peuvent être composé de doubleur en fonction du schéma adopté par le constructeur. Ces doubleurs permettent de doublés (certain peuvent quadrupler voir plus) le nombre de signal PWM en sortie du composant. Mais ce processus à une contrepartie il divise la fréquence de commutation par le nombre de canaux utilisés en sortie. Exemple dans le cas du doubleur IR3599, ce doubleur peut en réalité quadrupler le nombre de signal en fonction de sa configuration, dans sa configuration doubleur si on lui met en entré un signal PWM a une fréquence de 1 MHZ il sortira 2 signaux PWM chacun à la fréquence de 500kHz, dans sa configuration « quadrupleur » donc la fréquence en sortie de chacun des signaux PWM sera de 250kHz. Les doubleurs peuvent servir a répartir plus équitablement la charge qu'exerce le cpu sur l'étage d'alimentation de la carte mère en désactivant ou activant des canaux en fonction des besoin en puissance (IDLE ou charge). Exemple de doubleur : ISL6617A, uP1911P, IR3598.

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Voici 2 exemples de doubleur dans l’ordre l’ISL6617A et l’uP1911P
Les drivers quant à eux sont des composants qui peuvent être soit intégré dans les MOSFET comme dans les TDA21472 ou les IR3555 ou bien seul comme les IR3535 d’infineon. Ces composants permettent de traduire le signal PWM issus du contrôleur en une suite d’action sur certaine broche des MOSFET permettant ainsi d’ouvrir ou de les fermer en fonction de l’état du signal PWM. C’est grâce à ces petits composants que les MOSFET Hi-Side et Lo-Side peuvent fonctionner et ainsi former une phase avec les bobines et les condensateurs.

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  • Les composants passifs.
Les Condensateurs et les bobines, quant à eux servent de filtration et de stockage pour la tension et le courant en sortie de l’étage d’alimentation. Les bobines sont aussi une des principale limite vis-à-vis de l’intensité maximale que l’étage d’alimentation pourra potentiellement délivrer et aussi au temps de réponse de l’ensemble des VRM vis-à-vis de la demande lorsque que le CPU est soudainement sollicité et qu’ainsi sa consommation augmente. Si la capacité de débit de courant des bobines est inférieur à l'intensité maximal en continue du MOSFET avant elle alors la bobine limitera le courant par phase

Les condensateurs quant à eux servent à alimenter le CPU en tension quant aucun autre composant ne peut le faire et ils impactent moins la durée du régime transitoire* que les bobines. (Le régime transitoire est un régime ou le système en question évolue jusqu’à arriver à un état stable.)
  • Différentes configuration VRM.
Après avoir brièvement passé en revus les différent composant constituant l’étage d’alimentation d’une carte mère on peut regarder les différentes configurations utiliser par les constructeur sur différente carte mère.

Dans un premier temps je vais détailler différente configuration possible utilisant des doubleurs, ces composants permettant de doubler, quadruplé ou plus le nombre de signal PWM en divisant la fréquence par le nombre de sortie ou en fonction de leur mode de câblage (comme pour l’IR3599).

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Circuit basique PWM -> Drivers -> MOSFET

Dans cette configuration le signal PWM arrive directement jusqu’au driver qui pilote ensuite le MOSFET, ainsi la fréquence du signal PWM reste inchangé à l’arrivé aux bornes du driver. En utilisant cette méthode pour avoir un étage d’alimentation ayant beaucoup de canaux (Comme sur l’Aorus X570 Xtreme) il faut disposer d’un contrôleur PWM pouvant générer beaucoup de signaux PWM, contrôleur qui sont rare et couteux (comme le XDPE132G5C). Cette méthode est très utilisée dans les cartes mères disposant d’étage d’alimentation relativement petit comme les carte mère ITX et d’autre carte mère ATX comme la X470 Strix ou la X470 prime pro.

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Circuit classique PWM -> Doubleur -> Drivers -> MOSFET

Cette configuration permet d’augmenter le nombre de MOSFET utilisé sans pour autant nécessiter d’utiliser un contrôleur couteux comme le XDPE132G5C ou a l’époque où ce contrôleur n’existait pas encore et donc d’utiliser des contrôleurs pouvant générer moins de signaux PWM. Cela a bien sur des contreparties en utilisant un doubleur, comme vu précédemment, la fréquence du signal PWM est divisé par 2 aux bornes des drivers et altère légèrement le régime transitoire de l’étage d’alimentation en l’allongent et par conséquent augmente le survoltage lors que le CPU est fortement sollicité.

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Circuit PWM -> Quadrupleur -> Drivers -> MOSFET

Cette configuration comme pour la configuration doubleur permet de ne pas utiliser de contrôleur disposant de beaucoup de signaux PWM ou de pouvoir crée des étages d’alimentation avec beaucoup de MOSFET à l’époque où les contrôleurs comme le XDPE132G5C n’existaient pas encore. Comme pour les doubleurs les quadrupleur ont pour conséquence de divisé la fréquence du signal PWM par 4 et allonger le régime transitoire de l’étage d’alimentation.

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Circuit PWM -> Drivers -> MOSFET

Cette configuration bien que similaire a la première permet d’augmenter le nombre de MOSFET dans l’étage d’alimentation sans utiliser de doubleurs mais a pour conséquence de possiblement perdre certaine fonctionnalité comme la désactivation certain MOSFET lorsqu’ils ne sont pas nécessaires et ne permet donc que de désactiver des groupes de MOSFET tous contrôler par le même signal PWM au sein du même groupe. Cette méthodes est beaucoup utiliser sur les carte mère que ce soit en entrée de gamme ou en haut de gamme. A l’heure actuelle des carte comme la B450M mortar, la Crosshair VIII hero, la X570 TUF PLUS ou la Z390 Gaming Edge de MSI et la Maximus XI hero. Toutes avec plus ou moins de MOSFET placé par signaux PWM (4 signaux PWM pour 4 MOSFET par signaux pour la X570 tuf plus contre 7 signaux PWM pour 2 MOSFET par signaux pour la Crosshair VIII hero).

  • Schéma VRM.
Maintenant on que l’on a vu des configurations possible pour les doubleurs et les drivers on peut regarder les configurations possible pour l’étage d’alimentation au complet. On va regarder comment est constitué un étage d’alimentation à une puis un étage d'alimentation à plusieurs phase. Tout d’abord regardons comment se constitue un étage d’alimentation composé d’une phase.



Voici un schéma représentant un étage d’alimentation disposant d’une seule phase.
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Sur ce schéma on peut voir la place qu’occupe chaque composant utilisé dans la constitution de l’étage d’alimentation dans le cas d’une seule phase. Et ainsi comprendre comment son constitué les différente phase d'un étage d'alimentation utilisant des MOSFET Lo-Side et Hi-Side

Ce schéma représente un étage d’alimentation disposant de 4 phases
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Ce schéma-là permet de voir comment est constituer un étage d’alimentation utilisant 2 canaux ou plus (4 dans ce cas précis), le schéma utilise les MOSFET PowerStage pour simplifier le schéma mais dans le cas des configurations utilisant les MOSFET Hi-Side et Lo-Side il suffit de remplacer les blocs « MOSFET PowerStage » par ce qui est contenu dans le carré rouge dans le premier schéma.
Avec toutes les cartes mères sorties depuis ces dernières années les constructeurs ont montré beaucoup de configuration possible pour l’étage d’alimentation du CPU des cartes mères. Voici 3 exemples de configuration VRM différente utilisé par 3 des 4 grand constructeurs de carte mère

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Pour les VRM des carte graphiques le principe globale est similaire au VRM des cartes mères mais les tensions maximales sont souvent plus faible et l'étage d'alimentation est placé sur une surface plus restreinte que sur les carte mère due à une taille de la carte plus faible que les cartes mères. Ces VRM sont aussi souvent plus contrainte en ce qui concerne la puissance maximale débitable et les gammes de tension atteignable due aux limitation des constructeur via les BIOS et des dispositif de lecture de puissance placé aux bornes des connecteur 12v.

*: Le régime transitoire est la phase ou le système évolue d’un état stable à un autre état stable, dans le cas des VRM c’est la phase d’évolution entre le moment où la tension est à 0V et le moment où la tension est à 12v. Ce régime transitoire doit être le plus court possible pour que la sur tension du CPU soit la plus faible possible.
 
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Si vous souhaitez regarder de plus près les VRM de beaucoup de carte mère déjà sortis voici une liste de lien permettant d'avoir les spécificités des étages d'alimentation d'une multitude de carte mère :
-VRM AM4 avec lien photos
-VRM AM4 B550
-VRM TR4 avec lien photos
-VRM Intel 1151 avec lien photos
-VRM Intel 2066 avec lien photos
-GDocs VRM AM4
-VRM Z97
-VRM Z97/Z87/Z68/X79 et d'autre
-VRM LGA 1200 (Z490)
-VRM LGA 1200 (Z590/B560)
N'hésitez pas à poser des question si vous le souhaitez ou à faire des remarques si vous en avez vis à vis du contenu du post.
 
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